《信息物理融合系统（CPS）设计、建模与仿真——基于 Ptolemy II 平台》——2.7　高阶组件

本节书摘来自华章出版社《信息物理融合系统（CPS）设计、建模与仿真——基于 Ptolemy II 平台》一书中的第2章，第2.7节，作者：［美］爱德华·阿什福德·李（Edward Ashford Lee），更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看

2.7 高阶组件

Ptolemy II 包含大量的高阶组件（higher-order component）。这些角色对模型的结构进行操作，而不对输入数据进行操作。接下来将介绍几个相应的例子，在这些例子中，5个Channel角色被置于一个模型中。为什么用5个? 也许最好是有一个单独组件可以表示Channel的n个实例，其中n是一个变量，这正是高阶组件所能解决的问题。高阶角色由Lee和Parks（1995）提出，它使得在模型结构不依赖于问题规模时更容易进行大型设计的构建。在本节中，将对这些角色进行描述，并且它们都能在HigherOrderActors库中找到。
2.7.1 MultiInstanceComposite角色
考虑图2-32所示的模型，有5个并行连接的Channel类实例。实例的数量在图中是硬连接的，很难进行数量的改变，特别是如果需要增加它时。这个问题可通过使用MultiInstance Composite（多实例复合）角色来解决，如图2-40所示。MultiInstanceComposite是一个复合角色，我们可以在它里面插入一个单独的Channel实例（通过创建一个Channel实例，将其复制并粘贴到复合角色中）多实例复合角色。（MultiInstanceComposite）是不透明的（这意味着它包含了指示器）。它在模型中充当着单个角色，但它内部实现是并行运行的多重角色。

图2-40 一个模型，它相当于图2-32，但是使用了MultiInstanceComposite，它允许仅仅通过改变一个参数值来改变Channel实例的数量
如图2-41所示，MultiInstanceComposite角色有3个参数：nInstances、instance、showClones。
第一个参数指定了要创建的实例数量。运行时，该角色将自我复制，次数由nInstances指定，如第一个（原型）实例那样，将输入和输出连接到相同的源和目的地。在图2-40中，注意MultiInstanceComposite的输入连接到一个关系（黑色菱形），输出直接连接到一个AddSubtract角色的多端口输入。因此，连接多个实例的方式类似于图2-32，其中相同的输入值将传递给所有实例，但是提供给AddSubtract角色的输出值是不同的。

图2-41 MultiInstanceComposite的第一个参数指定实例的数量。第二个参数可以使模型的建立者识别单独的实例。第三个参数控制实例是否呈现在屏幕上（当模型运行时）
因为实例的数量可以由一个参数改变，所以使用多实例创建模型比原始方法更好。根据MultiInstanceComposite中的instance参数来表示每个实例中的参数值，每个实例都可以按需定制。比如，令图2-40中InstanceOfChannel 角色的noisePower参数值取决于instance。如将其设置为instance*0.1，然后将nInstance设置为1。当运行模型时，将看到清晰的正弦波。这是因为这个instance的值为0，所以该实例中没有噪声。
2.7.2 IterateOverArray角色
如图2-37所示，Channel类的实现没有包含任何状态，这意味着信道模型的调用不依赖于上次调用的数据计算。因此，没有必要使用Channel类的几个不同实例来实现一个多样化通信系统；一个实例可以对n个数据副本调用n次。这种方法可以通过使用IterateOverArray高阶角色来实现。
IterateOverArray 角色可以用类似于前面章节中的MultiInstanceComposite的方法来使用。也就是说，我们可以在其内填充一个Channel类实例，类似于图2-40。IterateOverArray 角色在模型中也需要一个指示器。
例2.2 考虑图2-42中的例子。在这种情况下，顶层模型使用一个含有信道输入的多副本数组，而不是使用一个关系将输入广播到Channel的多个实例。这是使用Repeat角色（在FlowControl→SequenceControl子库中找到）和SequenceToArray角色（见2.7.3节补充阅读）的结合来完成的。Repeat有一个参数numberOfTimes，在图2-42中将其值设置为等于diversity参数的值。SequenceToArray角色有一个参数arrayLength，其值也可以设置为等于diversity参数的值（这个参数可以通过arrayLength端口来设置，灰色填充表示它既是一个参数又是一个端口）。输出被发送到ArrayAverage角色（见2.8节补充阅读：处理数组的角色）。
图2-42中模型的执行与它前面的版本类似，除了输出的规模不同外，其输出是平均值而不是总和。

图2-42 IterateOverArray 角色可以用来完成与图2-40中一样多的信道模型，但是不需要创造信道模型的多个实例。这种方法是可能的，因为信道模型没有状态
不论IterateOverArray包含什么角色，对于输入数组的每个元素，都将进行简单重复的执行动作。如图2-42所示，它包含的角色可以是不透明的复合角色。然而，有趣的是，它也可以作为原子角色。为了使用带有IterateOverArray的原子角色，只要将原子角色拖到IterateOverArray实例中。然后，它将执行输入数组的每一个元素中的原子角色，并产生作为输出的结果数组。该机制将在图2-43中说明。当一个角色从库中拖出并移到IterateOverArray角色时，它的图标将获得白色的边框。这个边框表明，如果角色被放下，它将放在光标下的角色中，而不是模型所包含的角色上。放入的IterateOverArray角色将成为为输入数组的每一个元素执行的角色。为了和 Channel 角色一起使用，定义了如上规则，但是需要将Channel角色转换为一个不透明角色，方式是通过插入一个指示器，因为对于数组元素IterateOverArray只能应用不透明角色。

图2-43 IterateOverArray 角色支持在它上面放入一个角色。它变换为模仿放入角色的图标。这里我们使用Channel类，保存到如图2-39所示的UserLibrary（用户库）中
2.7.3 生命周期管理角色
Higher OrderActors中的一些角色调用整个Ptolemy II模型的执行。这些角色通常把端口（用户或者角色创建的）和模型的参数关联在一起。它们可用于创建模型，所创建的模型可通过修改参数值来使得其他模型反复运行。包括RunCompositeActor，其执行所包含的模型。ModelReference 角色执行文件或URL中定义的模型。当VisualModelReference执行模型时，VisualModelReference角色打开模型的Vergil视图。更多细节可以在角色文档和Vergil连接展示中找到。
补充阅读：数组构建与拆分角色
下面是构建和拆分数组的角色：

ArrayToElements将输出端口信道中的数组元素输出。
ElementsToArray用输入端口信道中的元素构建一个数组。
ArrayToSequence将输出端口中的数组元素顺序输出。
SequenceToArray用输入端口中的一系列元素构建一个数组。
StringToUnsignedByteArray从字符串构建一个数组。
UnsignedByteArrayToString从数组构建一个字符串。
ArrayToMatrix从数组中构建一个矩阵。
MatrixToArray从矩阵构建一个数组。
此外，很多多态角色，比如说AddSubtract，也能对数组进行操作。

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